（机械制造及其自动化专业论文）挤出螺杆的指状铣刀包络加工方法研究.pdf

沈目ii 业人学硕卜学何论文 摘要 随着塑料材料在工业、农业以及日常生活中应用量的迅速增高，各式螺旋挤压混 合技术广泛应用于塑料工业的成形工业中。挤出螺杆作为注塑挤出工艺的核心部件， 它的形状越来越复杂，其加工技术也越来越受到人们的重视。如何提高复杂形状挤出 螺杆的加工质量、加工效率以及如何降低成本，成为目前人们主要关注的问题。传统 刈挤 j 螺+ 的加【一般应用成形法并在改进机械式机床或三轴数控机床上加工，采用 f 1 盼吲f n ! 蓖锵彤的幽速钢棒铣刀。随着螺孝丁形状和性能要求的提高，成形法加工效率 和加工质量已经不能满足人们的要求。针对目前挤出螺杆连续变螺棱、变导程、变棱 圆、变庹行等复杂廓形本文在研究挤出螺杆几何特性及螺旋面成形原理的基础上， 提出r 一种高效、经济、实用的挤出螺杆加工技术指状铣刀包络加工方法，这种 加工方法通过铣刀位置变化能够有效的对挤出螺杆棱圆进行包络加工，并且利用一把 标准刀具能够实现在一根螺杆上连续变螺棱、变导程、变深等复杂形状的加工，加工 效率比较高。 本文通过对空i 日j 自由曲面、螺旋曲面加工方法的研究和归纳总结，进而建立加工 过程模型，利用啮合原理及优化方法求解，最终确定了利用指状铣刀包络加工螺杆棱 圆的刀具空间轨迹。文中设计了指状铣刀包络法所用的铣头装置，研究挤出螺杆的指 i k 鄂，j ”ii ，卜| 几汁合理的加t 工艺、进行误差分析并减少加工误差、分析了工件 的j j jr 糸列水解个川刀具轨j ：f | = 数控技术关键问题，并且运用c + + b u i l d e r 编程语言 来实现上述算法并编制易操作的软件界面。 本项目研究在国内率先提出了在四轴联动数控机床上利用指状铣刀包络加工挤出 螺杆的加工方法，重点是对螺杆棱圆的包络加工，并研制了加工所用机床。指状铣刀 包络加工挤出螺杆时刀具切削平稳，加工效率高，其应用前景十分广阔。本方法无疑 改变了国内挤出螺杆加工的现状，对提高我国挤压机行业的技术水平，推动国民经济 的发展，将起到积极的作用。 关键词：指状铣刀，包络加工，挤出螺杆，四轴联动 挤出螺杆的指状铣刀包络加工方法研究 r e s e a r c ho ne n v e l o p i n gm a c h i n i n gt e e h n o l o g yo f e x t r u s i o ns c r e ww i t hf i n g e rc u t t e r a b s t r a c t a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f p l a s t i cm a t e r i a lu s i n gi ni n d u s t r y , a g r i c u l t u r ea n d d a i l yl i f e , a l lk i n d so fs p i r a le x t r u s i o ne o m m i x t u r et e c h n o l o g ya f cw i d e l yu s e di nt h ep l a s t i c s f o r m i n gi n d u s t r y a st h ek e yp a r to f e x t r u s i o nt e c h n o l o g y , t h es h i l p e so f e x t r u s i o ns c r e wa m m o r ea n dn l o r ec o m p l i c a t e d ；t h ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya l s ot a k e sm o r ea n dm o l ep e o p l e s v a l u e h o wt oe n h a n c et h ep r o c e s s i n gq u a l i t yo f t h ee x m i s i o ns a wt h ep r o c e s s i n ge t t i e i e n e y 嬲w e l l 嬲h o wt or e d u c et h ec o s th a v eb e e nc o n c e r n e db yp r e s e n tp e o p l e t h et r a d i t i o n a l p r o c e s s i n gm e t h o do fe x t r u s i o ns a r c wu s u a l l yu s e sf o r m i n gp r o c e s sp r o g r e s s i n go nt h e i m p r o v i n gm a e l a i n e r yo rt h r e ei e i x e $ n u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n et o o l , a d o p t i n ga u t o g e n o u s l y g r i n d i n gr o u n da n g l eo rc o n i ch i g h - s p e e ds t e e lm i l l i n gc u i i e l b u ta l o n gw i t ht h ei m p r o v e m e n t o ft h ed e m a n do nt h es h a p ea n df u n c t i o no fe x t r u s i o ns 明矾t h ep r o c e s s i n ge f f i e i e n e ya n d q u a l i t yo ff o r m i n gp r o c e s sc a n n o tb es a t i s f i e d i nt h ev i e wo fc o m p l e x i t yo f t h ec h a n g e a b l e p i t c h , c h a n g e a b l eb o t t o md i 棚蛐盹e f c h a n g e a b l es p i r a la n g l eo fe x t r u s i o n 瓢帆t h i sa r t i c l e s t u d i e do l l at h eb a s eo f s t u d y 崦t h et h e o r yo f g e o m e t r yc h a r a c t e r i s t i ca n d 埘i c o i d sf o r m i n g , t h ea r t i c l ep r o p o s e dak i n do fh i e , t l l ye f f e c t i v e e c o n o m i c a la n dp r a c t i c a le x t r u s i o ns c “册 p r o c e s s i n gt e e t m o l o g y ：6 n g e rc 1 1 t t 盯e n v e l o p em a e h 自a i n g t h i sp r o c e s s i n gm e t h o dm a y p r o c e s sp r i s m a t i ci t , - o u n d n e 龉o fe x t r u s i o ns c ：1 c i , ww i t he n v e l o p em a c h i n i n ge f f i c i e n t l yt h r o u g h t h ec h a n g eo fr a n g e re u t t c r sl o c a t i o n , 锄di tc 趾r e a l i z et h ec o m p l i c a t e dp r o c e s s i n go f c h a n g e a b l ep i t c h , c h a n g e a b l eb o t t o md i a m e t e ra n dc h a n g e a b l es p i r a la n g l ei n t h es a m e e x t r u s i o ns a 他w o nt h eb a s eo f s t u d y i n ga n d 筑m m l a r i z i n gt h ep r o e 鲻i n gm e t h o do f f r e ec u r v e ds u r f a c e a n ds p i r a lc u r v e d 鲫d 配c b u i l d r a gt h em o d e lo fp r o c e s s i n gp r o c e s s , 血c t i n gt h es o l u t i o nb y m a k i n gl 娣o f t h ee n g a g ep r i n c i p l ea n do p t i m i z a t i o nm e t h o d , i nt h ee n dt h i sa r t i c l ed e t e r m i n e s t h em e t h o da n ds t e po ft l a ef m g e rc u t t e rs p i r a lc ：l l r v e ds u r f a c e sp r o c e s s i n gc u t t i n gt o o ls p a c e i r a j e e t o r yw h i c hu s e st h e6 n g 叮c u t t e re n v e l o p e ，d 晦螗盥t h em i l lh e a dw h i c hu s e di nt h e m i l l i n gc u t t e re n v e l o p et or e s e a r e l at h ep r o c e s s i n gp r o c e s so ff i n g e rc u t t e r sm i n i n gc t i 慨 d e s i g nr e a s o n a b l ep r o c e s s i n ge r a t lc a r r yo nt h ee r r o ra n a l y s i sa n dr e d u c ep r o c e s s i n ge l t o l a n d - 沈阳工业大学硕士学位论文 a n a l y z et h ew o r kp i e c ep r o c e s s i n ga n ds oo i las e r i e so fk e ys o l u t i o n st on ct e c h n o l o g yo f s p a c ec u t t i n gp a t h , a n du t i l i z et h ec + + b u l i d e rp r o g r a m m i n gl a r l g u a g e ，c a d c a m s o f t w a r e ，s o l i d w o r k sp r o c e s s i n gs i m u l a t i o ns o f t w a r et or e a l i z et h ea b o v ea l g o r i t h ma n d t h es i m u l a t i o np r o c e s s i n gp r o c e s s t h i sr e s e a r c ht a k e st h el e a di np r o p o s i n gt h ep r o c e s s i n gm e t h o do f u s i n gt h ef i n g e rc u t t e r e n v e l o p et om i l l i n gt h ef i n g e rc u t t e ro nt h eb a s eo f f o u ra x e sl i n k a g e sn c m a c h i n ei nc h i i l a ， a n dd e v e l o p e dt h ep r o c e s s i n gm a c h i n e i tr e a l i z e ss m o o t h e rc u t t i n go f c u t t e r , h i g h e r 孵a l 醅o f f i n g e rc u t t e r ss u r f a c e ，m o l ee f f i c i e n c y o fp r o c e s s i n gw h e nt h ea n g e rc u t t e rp r o c e s s e d e x t r u s i o ns c r e ww i t he n v e l o p e m a c h i n i n g t h ea p p l i c a t i o nh a db r o a dp r o s p e ! 瞳t h i s p r o c e s s i n gm e t h o di sn od o u b tc h a n g e st h en a t i o n a ls i t u a t i o no f p r o c e s s i n g e x t r u s i o ns e r e wa s w e l la sp l a y e dt h ep o s i t i v er o l et oe l l t l a n c et h et e c h n i c a ll e v e lo fe x t r u d e ri n d u s t r yi no u r c o u n t r ya n di m p e lt h ed e v e l o p m e n to f n a t i o n a le c o n o m y k e yw o r d s ：f i n g e rc u t t e r ，e n v e l o p em a c h i n i n g ，e x t r a s i o as c r e w ，f t l 劳a - 矗z e s l i n k a g e s 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 躲辫眺掣 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 签名： ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 导师签名 日期： 迎2 ：三：! 沈阳_ 业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题背景 随着塑料材料在工业、农业以及日常生活中应用量的迅速增高，各式螺旋挤压混 合技术也广泛应用于塑料工业的成形工业之中。第二次世界大战以后，合成聚合物蓬勃 发展，广泛应用的材料包括塑料、纤维、橡胶三个方面。他们之间既有共性又有区别。而 ”似坼、终抓小s k - l 导性和重要性。在工程技术上应用的聚合物材料中，塑料一 直是应用量最广、最大的材料。挤出成型加工是塑料成型加工中最重要的方法之一，挤出机 几乎成为任何个与塑料有关的企业或研究机构最基本的装备之一【1 1 。全世界5 0 左右 的塑料是用挤出方法来加工的。其中单螺杆挤出加工占有相当大的比例。据统计我国1 9 9 6 年的塑料制品产品量已经位居世界第十，而在我国机械行业中，年产2 0 0 0 2 5 0 0 台挤出 机，其中8 0 8 5 是单螺杆挤出机，由此可见单螺杆挤出机在塑料工业中占有举足轻重的 地位。目前，随着共混改性材料应用和研究的深入，双螺杆挤出加工的研究已呈上升趋 势，但是单螺杆挤出机仍然以其适应性强、应用范围广、操作简便以及投资少、见效快而 隙 _ i 五十王jl r 墼的地 最，i 而且在许多领域其地位是不能被取代的。比如在电缆挤出、吹模 成掣加f 。过程中。双螺卡t 挤出机最大的优点是混合性能好，然而在产量相同的情况下，双 螺杆挤出机的成本却比单螺杆挤出机成倍地高出。因此在满足混合和生产要求的前提下， 优先选取单螺杆挤出机是比较可取的【2 圳。更特别的是，有些认为适合在双螺杆挤出机上混 合和生产的材料，也有迁移到单螺杆挤出的趋势。我国生产硬p v c 制品过去基本上是使 用双螺杆挤出机，现在也有许多改用单螺杆挤出生产的，而在美国硬p v c 制品的生产则 多半是在单螺杆挤出生产线上进行的。此外，无论从挤出加工技术的发展历史来看，还是 从挤出理论的发展历史来看，从某种程度上说，单螺杆挤出技术是双螺杆挤出技术和其他 许多加工技术的基础 4 - 5 】：单螺杆挤出技术与理论以及其测试技术的发展可以促进双螺杆挤 出和其它仃关加二1 技术的发展，单螺杆挤出理论的进一步完善也会为双螺杆挤出理论研究 提供重要和有益的借鉴，这种意义不仅表现在聚合物加工领域本身，也可以在食品加工 q k 、造纸加_ 工、l k 等许多行业中得到体现。总之，完全有理由相信、随着单螺杆挤出理论的 进一步发展，单螺杆挤出加工在整个聚合物加工领域中的地位是不可动摇的 6 4 1 。 挤出螺杆的指状铣刀包络加工方法研究 目前中国塑料机械行业产值每年约1 0 0 亿元，而国内市场需求约2 0 0 亿元，还有 i 、；- t l l ! ! ( i f l1 ：l 镜计中围进口翅料机械使用外汇1 1 2 亿美元，而出口塑料机 械创汇j l 有1 ：3 亿美i ，进口远大于出口。另外，现在人们已公认一个国家或地区塑 料的人均年消耗量及塑料工业在国民经济中所占的地位是反映工业发展与进步的重要 标志之一。中国是塑料消费大国，据统计，其年消耗量排世界第二，仅次于美国，而 中国的人均消费仅为1 9 k g ，在世界排名第3 2 位，是工业发达国家的1 1 一2 0 ，可见中 国的塑料工业还要大发展，塑料机械前景广阔。国外有人预言2 l 世纪的材料领域是塑 料的天下，而中国是2 1 世纪塑料工业( 包括塑料机械工业) 最大的市场。 1 2 国内外挤出螺杆加工技术的现状及趋势 蟛j j rh 帆 ：l ，h j 】i 印料工业，理论研究起步较早，但是我国在挤出螺杆的加 疗向充论理论还是技术相对于国外同行都有很大的差距。我国传统挤出螺杆加工是 项较老的加上技术，从8 0 年代中期，我国在复杂螺旋曲面制造技术方面，开始研究 成形铣削技术，这种方法在当时对螺杆加工的发展起到了一定的推动作用。成形法主 要是使用改造普通车床或三轴数控机床来加工”，这是因为早期的螺旋挤压螺杆线形简 单，加工水平有限。刀具采用自磨圆角或锥形的高速钢棒铣刀，其形状由螺杆廓形决 定，即一种螺杆对应种刀具，由于加工过程中刀具磨损需要反复的测量工件并磨 刀，且误差不容易保证，因此，成形法加工挤出螺杆效率和精度都不高。t 由于人们对 挤，”r 协班出的要求越束越高，挤出螺杆的形状也是越来越复杂，对于变螺距、变底 竹的螺丰| f f , j 螺j 6 矗= 栅加l ，利用成形法在一般的普通机床上即使采用复杂的工装也是很 难控制加1 质量的1 1 0 。叫：另一方面，由于螺杆型线变化的多样性和复杂性，使得成形 铣刀的设计、制造及刃磨都十分困难，而且刀具寿命很低，所以成形法不再适用于复 杂挤出螺车i 的加工l l 。随着数控技术的广泛应用，螺旋面的加工方法和技术水平也在 不断提高”，加工采用标准刀具，复杂的运动过程可以通过数控系统来实现，而且加 工效率和精度都可以保证。 在挤出螺杆的加工方面，目前一些中小企业仍然采用成形法来加工。另一方面， 我国工业系统的机床大部分已进入更新换代的高峰期，橡塑行业也不例外。我国螺杆 加工行、世f 处于迅猛发展时期，新的加工技术逐步推向市场。来满足用户的需求。相 沈r | j + 业人学硕十学位论文 比而言，国外挤出螺杆的加工技术比较成熟，加工精度和效率也比较高，但是外国挤 出螺杆加工机床( 如图1 1 所示) 价格昂贵，每台售价都在千万元以上，国内一些加 工挤出螺杆的中小企业很难支付：同时这种机床专用性较强国、加工范围单一，很难 适应我国的国情，不能满足国内橡塑行业对此类机械的需求。所以，在可以预见的时 期内，国内挤出螺杆加工市场十分广阔【1 5 】。 图1 1 国外挤出螺杆加工机床 f i g 1 1f o r e i g ne x t r u d i n gs c r e w m a c h i n e 随着人们对挤压工艺过程的逐步深入了解，对挤出螺杆的设计也逐步复杂，这就 给挤出螺杆的加工工艺提出了新的要求。由于数控机床的迅速发展，运动控制更加方 便、准确。螺杆加工的趋势将是由标准硬质合金刀具代替成形刀具，在不改变刀具形 状的条件下，通过运动来实现加工形状的改变 1 6 q 7 】。这样就给计算带来了很多困难， 根据不同螺杆的复杂廓形，刀具与工件啮合的计算量相当大，有些计算仅通过手工是 无法完成的。数控自动编程技术的出现和发展使计算变得简单化n s l 。通过编程软件将 算法过程设计成计算软件，利用界面操作。 本课题就在此背景下产生的。针对挤出螺杆连续变螺棱、变导程、变棱圆、变深等 复杂特征，本文提出利用标准指状铣刀包络加工挤出螺杆棱圆方法及其刀具运动轨迹计 挤出螺杆的指状铣刀g - 络m _ e 方法研究 算方法，从理论上加以论述说明并从程序上得以实现。本课题的研究成果将应用于螺杆 铣床设备，同时指状铣刀包络加工挤出螺杆棱圆的技术和设备将打破国内空白，因此本 课题的研究在挤出螺卡t 的加工方面具有极其重要的实际意义。 1 3 自动编程简介 数控编程是目前c 燃a p p c a m 系统中最能明显发挥效益的环节之一，它在实现设 计加工自动化、提高加工精度和加工质量、缩短产品研制周期等方面发挥着极其重要的作 用。在很多工业产业诸如航空工业、汽车工业等领域有着大量的应用。由于生产实际的需 求，国内外都对数控编程技术进行了广泛的研究，并取得了丰硕成果。 自动编程【州( a u t o m a t i cp r o g r a m i n g ) 的实际含义是计算机辅助编程( c o m p u t e ra i d e d p r o g r a m i n g ) 。最初的自动编程系统a p t ( a u t o m a t i c a l l yp r o g r a m m e dt 0 0 1 ) 是由美国麻省理工 学院( m i t ) 、i b m 公司和美国空军合作在5 0 年代末期完成的，随着计算机技术、数控机床 的发展和工业界对零件加工要求的不断提高，对自动编程系统的要求也日益增加。自动编 程系统发展到今天，己经出现了品种繁多、功能各异的编程系统。第一个数控语言编程系 统a p t 是随着第台n c 铣床的问世于1 9 5 5 年，由美国麻省理工学院研制成功的 2 0 1 。在 随后的生产应用中，a p t 几经改进与完善，到8 0 年代已发展为a p t - w s s ，它具有编制 雕塑曲面加工程序的功能。 随着计算机技术及信息处理的发展，在c a d c a m 一体化概念的基础上，逐步形成 了计算机集成制造系统( c 蹦s ) 及并行工程( c e ) 的概念。目前，为了适应c i m s 及c e 发展 的需要，数控编程系统正向通用化、集成化和智能化方向发展【2 1 1 。n c 编程与c a d 系统 的连接和集成是n c 自动编程的一个非常重要的发展方向，即在c a d 系统提供的零件信 息基础上直接进行编程阱j 。 数拎编饪系统的智能化口o l 是指将“智能”加入数控自动编程系统中，并将人的判断及决 策交给机器来完成。因此采用人工智能方法建立各类知识库专家系统，把人的决策作用变 为各种问题的求解过程。基于这样的思想，在数控自动编程系统中加入知识体系的内容， 可以加强计算机对自动编程系统的控制，对一些一般算法无能为力的地方，可用专家系统 的方法解决更进一步减少人工的干预，真正做到全部自动化。另外尽管不同的数控机床其 功能不同，指令系统不同，但大部分的指令，如走刀、坐标等都统一或内容相似，所不同 沈阳工业大学硕士学位论文 的地方是辅助功能和机床的控制指令。因此，大部分的后置处理程序代码是可以重用的。 完全可以通过模块化的设计来实现后置处理程序的通用化。 随着自动编程技术的发展，对自动编程系统的功能和应用的方便性也提出了更高的要 求f 2 ”，本课题研究的加_ 技术是在数控机床上实现的，算法计算量比较大，需要通过计算 帆编 = l i j 木i li 。，j 外从f 一手的准确和稳定性考虑，论文中采用c + + b u i l e r 语言来实现程序 自动编利乍成数控加r 代码，导入到数控系统中直接进行加工。 1 4 数控加工关键技术分析 在挤出螺杆曲面数控编程技术的研究中，根据切削刀具的几何形状，如何在被加 工曲面上确定刀具加工路线，是该项技术研究的中心任务。刀具轨迹的生成方法实际 上也就是在刀具偏置面上确定刀具的运动路线或者是在零件瞳面上确定刀具接触点的 切削路线的方法。不同的走刀轨迹对j u t 质量和加工效率具有重要影响，因此对刀具 轨迹的优化牛成方法研究仍在进行之中。 1 4 1 常用的刀具轨迹生成方法 ( 1 j 参数线池 参数线法是曲面加工中生成刀具轨迹的最基本方法。其计算简单和计算量较小， f i l 由j ：参数空i 日j 与笛卡尔空问的非线性关系，曲面上的参数线分布并不均匀，此时用 参数线法生成的刀具轨迹的加工效率不高。因此，参数线法适于曲面参数线分布较均 匀的情况1 2 4 0 2 5 。 ( 2 ) c c 路径截面线法 该方法是在走刀过程中，将刀具与被加工曲面的接触点( c c 点) 始终约束在另外 一组曲面内，即用一组约束曲面与被加工曲面的截交线作为刀具接触点路径来生成刀 具轨迹。尽管原则上讲作为约束的曲面类型是任意的，但实用中约束面一般是平面与 柱面( 包括圆柱面或曲线沿z 轴方向扫出的柱面) 。在曲面区域加工、型腔；g n i 及组合 岫i f i ；j ，靖带n ，w ) y 坐标平面上规划出平行或环型( 不定适合于型腔加工) 等二 维走刀路线，然后将其投影到待加工曲面上得到刀具接触点路径，再由此生成刀具轨 迹，这种投影方法其实质也是c c 路径截面线法。约束面一般均垂直于x o y 坐标平 挤出螺杆的指状铣刀包络加一日亨法研究 囱，f h 作用f 面作为约束面时，约束面也可垂直于z 坐标轴，这种加工方式即为等离 线匀h i _ c 2 “。 生成接触点路径时，为了便于求交，可先将参数曲面离散成一系列满足逼近精度 要求的三角片，即将曲面模型转化为多面体模型，从而将约束面与参数曲面的求交问 题转化为平面片之间的求交问题，并便于刀具干涉检测处理。这种先将曲面模型转化 为多面体模型再生成刀具轨迹的方法有时被称为多面体加工方法【2 7 之8 】。c c 路径截面线 方法对走刀路线的摔制比较灵活，所生成的刀具接触点轨迹分布均匀，从而具有较高 的j _ j l jl 放 ：，适f j 一参数线分布不均匀的曲面加工、型腔加工及复杂组合曲面的加 i i l ijj i 蛭求交j 垒算，其算法较复杂计算量较大。 上述两种刀具轨迹生成方法都是先生成刀具接触点路径，再转化为刀具轨迹，但 所生成的刀具轨迹一般还需要送行刀具干涉检测处理。 ( 3 ) c l 路径截面线法 这种方法是在走刀过程中，直接将刀具运动轨迹( 刀位点) 约束在另外一组曲面 内，相当于用一组约束曲面与被加工曲面的刀具偏置面的截交线作为刀具轨迹。与c c 路径截面线法一样，尽管原则上讲作为约束的曲面类型是任意的，但实用中约束面也 一般是平面与柱面。在具有边界约束的型腔加工以及组合曲面加工时，也常常在x o y 坐标f m 【姗划 i f j 或环型等二维走刀路线，然后将其投影到待加工由面的偏置面 上得到刀具轨迹，尽管该过程的具体实旌算法不一定是采用约束面与被加工曲面的偏 疗i n i 求7 _ ：捩社；川l 轨迹，佴其本质上也属于c l 路径截面线法的处理思想。在用平面 作为约束皿时，得到的刀具轨迹为平面曲线，且当约束平画平行于坐标平面时，只需 两轴联动即可实现三维曲面加工，c l 路径截面线法生成刀具轨迹的计算方法主要有两 种：第一种方法是直接构造零件曲面的刀具偏置面，由约束面与偏置面求交来得到刀 具轨迹，这种方法有时也称为偏置面法，但由于偏置面的构造比较复杂，同时为便于 求交，偏置面一般也用简化的多面体网格( 由零件曲面的多面体模型转化得到) 表达， 并检查偏置面可能产生的自交或裂缝，进行干涉处理，确保刀具轨迹不发生干涉过 切。第二种方法并不直接构造零件曲面的偏置面，而是通过迭代计算直接在约束面上 ? k h k = z 。0 ) 式中：u 一圆的角度参变量； c 一常数 加工过程中，参与啮合部分只是一段圆弧。圆弧绕z 轴螺旋可以得到刀具加工螺旋 面，螺旋面方程如公式3 ，2 所示。 f 羲= c c o s o - c s i n 8 死= y 。0 ) s i n 护+ h 0 ) c o s 口 ( 3 2 ) 【乞= z 0 0 ) + p 口 式中：0 嘏旋角度参变数； p 曝旋参数，p = 导程，2 霈 根据刀具与工件空间几何关系，当刀具回转中心与工件轴线在同一平面内垂直相交 时，可以加工出梯形螺棱；当刀具回转中心相对与工件轴向有一定偏移量y 的时候，刀具 和工件可以啮合出一条曲线，实际加工中刀具只有部分参与切削，如图3 2 中起点为口， 终点为6 的劣弧。当歹= 0 时，即当儿0 ) s i i l 口+ j ，。0 ) c o s p = 0 时，螺旋面在轴向截形为一 条近似于圆弧的曲线r ( 如图3 2 所示) ，其方程式如公式3 2 所示。 j 和c c ，o s 、e - c s 洫口 ( 3 3 ) 1 3 0 = 2 。g ) + p 口 ”。7 通过对啮合方程求解，可以得到挤出机螺杆螺旋面在x o z 平面的截面曲线厂，利用 圆弧逼近原理，将截面曲线逼近成棱圆。 指状铣刀包络法是一种高效、经济、实用的加工技术。对于截面的廓形为挤出形复杂 沈阳工业大学硕士学位论文 螺杆( 简称挤出螺杆) 螺旋曲面的数控铣削，这种技术在加工时，铣刀刀刃高速切削，切削 平稳，减少加工时间，而且具有加工出的螺旋表面粗糙度值较低等优点。 3 2 机床坐标系 为了实现诈确的数控插补，描述刀具和工件的运动状态，必须建立正确地工件坐标 系、j 儿一p 杯系和机床也标系。机床坐标系就是用来描述和确定机床运动以及工件在机床 上位詈的坐标系为了方便零件程序的编制和统一。并使编制的零件程序具有通用性， ) i j 数 ，j 目【j 未一瞧 j ，轴的名称及其运动方向使用了统一规定。标准规定，不论机床的具体 运动结构如何，机床的运动统一按工件静止而刀具相对于工件运动来描述，并以右手笛卡 尔坐标系表达。规定直线进给运动的坐标用n z 表示，常称基本坐标轴，坐标轴的相互关 系用右手定则决定。大拇指的指向为j 轴正方向，食指指向为j ，轴的正方向，中指指向为 z 轴的j 下方向。围绕最kz 轴旋转的圆周进给坐标轴用瓜及f 表示，根据右手螺旋定 则，以大拇指+ 工+ k + z 方向，则食指、中指等的指向是圆周进给运动的叫、+ 夙+ f 方 向。机床坐标系是用来确定工件坐标系的基本坐标系，其坐标和运动方向视机床的种类和 结构而定。本文的机床坐标系是在包络法铣削的专用机床上，按照右手螺旋定则建立的。 饥义m 一，j f ；。山为cj j j i 切向运动为只工件轴向为z 刀具沿着铣头中心的旋转为彳，绕 着y 向的旋转为且工件自身的旋转为f ( 如图3 3 示) 。 图3 3 机床坐标系示意图 f i g 3 3c o o r d i n a t es y s t e mi nm i l l i n gm a c h i n e + z 挤出螺杆的指状铣刀包络加工方法研究 在采用指状铣刀包络法数控铣削螺旋面时，一般采用底面可简化为圆环面的指状 铣刀进行加工，它们的相对位置关系如图3 4 所示，选取工件螺旋面的直角坐标系为 0 一x y z ，铣刀圆环的直角坐标系为0 一x y z ，刀具坐标轴可以看成在工件坐标轴之内， 坐标原点相差一定的距离：两坐标原点口和。在工件坐标轴z 轴方向的水平距离为刀具 半径：在坐标轴x 向距离为螺杆罩圆半径；在坐标轴y 向距离为刀具在加工时的偏移 量。罐杯轴，币方向由右手螺旋定则确定。 幽： 4 刀具与j + 什的大系示意幽 f i g 3 4k i n e t i cr e l a t i o nb e t w e e nc u r e ra n dw o r kp i e c e y 3 3 刀具数学模型 3 3 1 指状铣刀底面切削刃模型 指状铣刀又称棒铣刀，在刀头上一般安装4 或6 片硬质合金刀片，由螺钉固定。刀具 底面的中心部分没有切削刃，因此在加工过程中只有刀头的一部分参与切削。在切削过程 中，铣刀做主切削运动，高速旋转，切削刃的回转表面为一圆环面( 如图3 5 所示) 。由 f n ：切削过羊n 中，r 件的已加工表面是出圆环面部分包络加工而成的，所以我们在进行刀 触点和j 化点计算时，町以将刀具简化为一空间平面圆。 毋 沈阳工业大学硕士学位论文 图3 5 刀具的结构示意图 f i g 3 5d i a g r a m m a t i cs k e t c ho f c u t t e rs t r u c t u r e z 以刀具底面中心为坐标原点建立刀具坐标系，则圆环上任一点m 的坐标方程可以表示 为： i x = x o y = y o + r s i n a( 3 4 ) 【z = z o + r c o s t r 其中：足一为刀具底面圆半径； ，z 0 为刀具原点相对于工件坐标原点的坐标； 口为圆环上一点肘和底面圆心的连线与该线在眦平面内投影线的夹 角，顺着x 轴看去，逆时针为正，顺时针为负。 3 4 工件数学模型 3 4 1 螺旋面的形成原理 工件螺旋面可以看作是它的端面截形、轴向、偏轴截面或法截面的截形作螺旋运 动而形成的【5 0 j 。本文以端截面截形的右旋螺旋曲面为例进行论述。 挤出螺杆的指状铣刀包络加工方法研究 图3 6 挤出螺杆螺旋曲面形成原理 f i 晷3 6s h a p i n gp r i n c i p l eo f s c r e w s u r f a c eo f e x t r u s i o ns c r e w 设在空间有一固定的右手直角坐标系( d x ，y ，= ) ，如图3 6 所示，它的三个坐标轴 方向的单位矢量分别为i ，j 一，云。某空问曲线厂的方程为： f o = 焉( “) = 而( “) 7 + 朋( “) _ 7 + 毛( “) 云 ( 3 5 ) 式中，u 为参变量。曲线厂绕空间任一条直线( 不妨设为z 轴) 作螺旋运动所形成的曲 面f 即为圆柱螺旋曲面，其方程为： ，= 焉( 甜) ( i ，占) 8 + p 毹 ( 3 6 ) 将( 3 6 ) 式展开，得到 尹= 【x o ( u ) c o s o y o ( u ) s i n o i + x o ( u ) s i n 0 + y o ( u ) c o s o j + 【z o ( 甜) + p o l k ( 3 7 ) 或用坐标式表示为： lz = x o ( u ) e o s o y o ( u ) s i n o y = x o ( u ) s i n o + y o ( u ) o a s o( 3 8 ) l z = z 0 ( “) + p 口 其中，0 为角度参变量，它表示母线从起始位置绕z 轴转过的角度。顺着z 轴看 沈阳工业大学硕士学位论文 去，以顺时针方向转动为正；p 为螺旋参数，p = 譬，p ：为导程。对于左旋螺旋面， 二玎 只要把上式中p o 前的正号改为负号即可。 3 4 2 工件螺旋面的方程 从截面形成螺旋曲面原理可以看出，母线在坐标轴云方向上的移动距离是螺旋参数和 母线参数变量口决定，同时母线在坐标轴7 ，7 方向上的坐标值可以看作母线在作旋转变 换。这样理解螺旋曲面的成形原理，为后面的刀具轨迹生成更加容易理解。从理论上讲， 母线r 可以取为螺旋面上的任意曲线。但是，在生产实际中遇到的螺旋面，往往是已经知 道了它的端截形或轴向截形，也就是已知的母线是在端截面或轴向截面中。本文从已知轴 截面的情况出发来计算挤出螺杆螺旋面。如图3 7 所示，挤出螺杆的每一个螺棱两端分别 有一个詹不同的圆弧，它是由指状铣刀和工件在一定情况下包络出来的，所以，我们可以 将圆弧归结为一类，区别在于曰大小不同。 图3 7 挤出螺杆棱圆示意图 f i g 3 7a r r i sr o u n do f e x t r u s i o n5 c 1 0 w z 根据挤出螺杆轴截形，以胄：段圆弧为例建模分析，如图3 8 所示，设圆弧r ：的圆心 坐标为( x o ，气) 。由于圆弧和螺杆底径始终是相切的关系，而且同一个螺杆上螺棱深h 挤出螺杆的指状铣刀包络加工方法研究 和曰是变化的，依据所给数据我们可以得出： 图3 8 挤出螺杆螺旋面 f i g 3 8h e l i c a ls u r f a c eo f e x t r u s i o ns c r e w r ：d - d 2 同时我们知道圆弧马的圆心( ，x o ) 为： 知xo ：r + 生 2 irj。2。-。1。jrj。-。v。-。1112 通过图3 7 我们可以得到圆弧对应地圆心角j ，： 所以： r - d - d c o s ，2 _ 产 y 2 础c o s - 2 6 - ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) 半 沈阳工业大学硕士学位论文 口的取值范围为 a r c c o 垮 ， 刚此，圆弧宠、对麻的方程为： z = 石。+ r8inp(313) i z = z o + r c o s 8 由于挤出机械中挤出螺杆的螺旋曲面都为右旋螺旋曲面，所以本文只对右旋螺旋曲面 为研究对象。由( 3 8 ) 式可以看出螺旋面方程是由一些基本的初等函数和四则运算组 成，只要其端截面方程瓦= x o ( “) 7 + ( 甜) 歹连续可微，根据初等函数的连续和微分性质可 知螺旋曲面方程在其定义域内是连续可微的。如若截面方程存在一阶导数不连续的点或截 面由几段连续可微曲线组成，可以将其分段处理，保证每段函数连续可微1 2 3 l 。因此，我们 得到棱同螺旋面方程如下： f x = b o + r s i n 0 ) c o s c t 】，= g ( 1 + r s i n o ) s i n a( 3 1 4 ) iz = z o + r c o s o + p a r 其中，0 为角度参变量，它表示母线从起始位置绕z 轴转过的角度。顺着z 轴看 去，以顺时针方向转动为正：p 为螺旋参数，p = 璺，见为导程。对于左旋螺旋面， 二玎 只要把上式中p o 前的正号改为负号即可。 3 5 空问啮合 根据啮合原理，工件的旋转和刀具沿工件轴向的运动能够形成螺旋面。刀具与工件在 q l hjr l b k 1 一, j , z r l 一1 j 则司转面与工件螺旋面自任一瞬时的空佃j 啮合条件时在啮合点处相 接触，古则就会发，上干涉现象，它们二者是线接触。在任意切点处总有公共的切平面与公 共的法线矢量一，刀具的回转面与工件的螺旋面在切点m 处的相对速度必然与该点公共法 线垂直，只有这样才能保证两个相互啮合面能够连续地滑动接触，既不会分离，也不会使 刀具对已切削表面切削，发生干涉。即接触点m 处必须满足下面的啮合方程： 挤出螺杆的指状铣刀包络加工方法研究 怎；皂 ( 3 1 5 ) 翮2 翮 u j ” 其中， 为工件螺旋曲面在接触点吖处的法矢量：甩：刀具圆环面在接触点m 处的 法，量， 本文研究的蘑点足对螺棱两端的圆弧的包络加工，这样就需要刀具在加工过程中有一 个，向的偏移，通过月具底刃与工件的空i 日j 啮合来形成。由上述工件和刀具的坐标方程及 啮合原理我们可以得到在空间刀具和工件啮合出的螺旋方程，用y o z 平面上的个平面截 这个螺旋面就会得到一条圆弧曲线，利用圆弧逼近方法和优化理论将曲线逼近成近似圆 弧，最后，计算得到的圆心即为加工时刀具圆心的位置。 3 6 加工中运动计算 3 6 ，1 刀具旋转角度的计算 本铣头的设计采用旋转形式，指状铣刀的中心和铣头的中心有一定偏移j 指状铣刀可 以沿着铣头中心做, 3 6 0 度旋转。在加工过程中铣刀中心相对工件轴线的偏移量会随着工件 参数的变化而变化。指状铣刀包络铣削螺杆的主要参数是指状铣刀的转速和工件转速，它 们车l j 切削哼度刀l l 辱命、，e 产效率、加工平稳性、刀具数量等因素有关。铣头电机功率 为l 1 k w ，转速为7 0 0 0r r a i n 。为防止铣头高速回转时，因冷却液飞溅和切削力过大，可 能引起皮带打滑而豳